恒包络OFDM的关键技术研究

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1、南京理工大学 硕士学位论文 恒包络OFDM的关键技术研究 姓名：韩元元 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：束锋 20100501 硕士论文恒包络C E = O F D M 的关键技术研究 摘要 对于未来宽带无线数字通信系统而言，正交频分复用( O F D M ，O r t h o g o n a lF r e q u e n c y D i v i s i o nM u l t i p l e x i n g ) 因为具有频带利用率高、有效克服多径干扰等优点，而成为最具 竞争力的关键技术之一。但O F D M 的固有缺陷就是信号存在大的峰均功率比( P A P R ， P e

2、 a k - t oA v e r a g eP o w e rR a t i o ) ，此点使得O F D M 系统对发射机功放引起的非线性扭曲异 常敏感，需要大的输入功率补偿。 本文重点研究恒包络O F D M ( C E O F D M ，C o n s t a n tE n v e l o p eO F D M ) 技术，它将 0 F D M 信号通过调制到恒包络载波信号的相位中，有效地解决了O F D M 的高P A P R 问 题。本文的主要研究工作如下： ( 一) 着重研究了C E O F D M 在加性高斯白噪声信道和频率选择性多径衰落信道下 的性能。通过仿真，获得如下结论：调

3、制系数直接影响着C E O F D M 的频谱特性和误比 特性能；非编码的C E O F D M 在多径衰落信道下具有频率分集特性。 ( 二) 针对C E o O F D M 系统特点，以循环位移的C H U 序列作为时域训练序列，提出 了一种柯西内插估计器，实现如下：首先利用最大似然准则估计出训练序列处的信道冲 激响应( c m ，C h a n n e lI m p u l s eR e s p o n s e ) ，然后利用柯西内插方法获得数据符号处的C I R 。 在典型市区信道仿真表明：在慢时变信道，柯西内插的性能优于线性内插和二次内插， 比最小均方误差差。 ( 三) 全面比较和分析

4、了三种分块传输技术O F D M 、C E O F D M 和单载波频域均衡 ( s c F D E ，S i n g l eC a r r i e rF r e q u e n c y D o m a i nE q u a l i z a t i o n ) 的误比特率、谱效率以及功放效 率。仿真结果表明：在中低信噪比下，O F D M 系统的误比特性能最优，S C F D E 其次， C E O F D M 最差；在高信噪比下，C E O F D M 性能优于O F D M 和S C F D E 。它们的P A P R 大小关系如下：C E O F D M a x ( 2 1 2 8 )

5、其中E 为信道模型的带宽，C 为信号周期，o 。为信道的r m s 时延扩展，忍为相干带宽。 通过式( 2 1 1 7 ) 和式( 2 1 1 8 ) 可知，发送信号的周期远远大于信道的多径时延扩展， 所以平坦衰落信道可被看作窄带信道。典型的平坦衰落会引起深度衰落，所以在深度衰 落期间往往要增加2 0 d B 或3 0 d B 的发送功率以获得较低的误码率。 信号产生频率选择性衰落的条件为： E E( 2 1 1 9 ) 互 饬 ( 2 1 2 4 ) 在频域，由快衰落引起的信号失真随着发送信号的多普勒扩展增加而加剧，而慢衰 落衰落信道可看作静态信道。 综上分析，相对于信道的相干带宽玩，信号带

6、宽色越小越好，即码元符号宽度疋尽 1 0 硕士论文恒包络C E - o F D M 的关键技术研究 量大，否则会导致频率选择性衰落；相对于信道的相干时间Z 而言，码元符号宽度Z 应 尽可能小，即信号带宽E 尽量大，否则会产生快衰落。显然，这些参数的选择存在矛盾 需求，所以在实际的系统中应根据实际需求进行折中处理。 2 2 本论文的信道模型 图2 。1 2 小尺度衰落的分类 无线信道的模型由式( 2 1 1 ) 表示，图2 2 1 为信道的多径实现模型。假设信道的每条 路径间是相互独立的，图中t ，表示路径时延，红( f ) 表征的是第f 条路径的时变部分，A 表 示路径增益。 p 1 mml-

7、 P ， p ， 圆 | 死( f ，t ) = p ，o ) 60 一t ，) i - 1 图2 2 1 多径信道的仿真模型 h ( t ，百) - 圆圆 2 无线信道硕士论文 2 2 1 频率选择性衰落信道模型 本论文第四章节将重点研究C E O F D M 系统在多径衰落信道下的性能，参考了四种 频率选择性衰落信道模型，它们均是军用信道模型库中的随机多径信道瞪1 。四种信道模 型的参数如表2 2 1 所示。 表2 2 1 频率选择性衰落信道模型 M o d e l D e s c r i p t i o nD e l a ys p r e a d C o h e r e n c eB W

8、 Aw e a kt w o - p a t h 1 4 4 I - t s B s W o n gt w o p a t h2 3 6 p , s 7 4 触玉 C e x p o n e n t i a l1 7 5 1 x s 1 4 0 尼，扬 Du n i f o r m 2 6 0 f l , s 6 7 肼玉 信道的冲激响应表不为： l ， 乃O ) = 币O t ，) ( 2 2 1 ) I = 0 其信道的抽头 局) ：服从标准瑞利分布，即： X E fh , 1 2 - - 1 ( 2 2 2 ) I = 0 其中E ) 是期望算子 信道A 和信道B 类似于海军信道模型【3

9、 0 】，它们都在百。= O 处有一条主路径，在 t = 5 1 x s 处有一条次路径，信道B 的次路径强于信道A 的次路径( 主路径能量的1 1 0 ) 。 信道C 的延迟功率谱密度服从指数分布，即： E Ihi 2 芘e x p ( - - x ，2 I _ t s ) ，0 A 。( f ) ，此时非线性噪声毛( f ) 逼近均值为0 的高斯分布， 其功率谱密度【6 1 1 可表示为： 骺( 厂) 争，I f l 矿2 ( 4 2 8 ) 当然，【七】也逼近零均值的高斯随机分布明，观察式( 4 2 7 ) ，吼( f ) 可看作亏( f ) 的 傅里叶相关系数瞄1 其方差可耄i 雾五】

10、) 万1 氍( f ) I s 哳 。4 2 9 ，v 口， 【枷而氍( ) 哳 ( 429 1 其中五是第七个子载波的频率，定义l 五I 1 8 d B 左右时，S C F D E 的性能才优于O F D M 、C E O F D M ；当E b N 0 2 6 d B 左右时C E O F D M 的性能才会优于 O F D M 。综上可知：在中低信噪比下，O F D M 的误比特性能最优，高信噪比下，C E O F D M 的性能最优。 一N工、口一ocoo；=Io一_JoocI 硕士论文恒包络C E - O F D M 的关键技术研究 E b N 0 ( d B ) 图4 3 6O F

11、 D M 、C E - O F D M 以及S C F D E 的误比特性能仿真 图4 3 7 为O F D M 、C E O F D M 、S C F D E 在子载波数舶= 1 2 8 ，互补累积分布率 C C D F = O 0 1 时，基带峰均比( P A P R ) 随谱效率变化的理论分析曲线。其中，O F D M 的C C D F 的计算公式参考式( 3 1 1 7 ) ，从仿真曲线我们可以看出：O F D M 、C E - O F D M 、S C F D E 系统的谱效率都随调制阶数M 的增大成对数增长。相同谱效率下，O F D M 的P A P R 最 大，其值主要受子载波数

12、。的影响，而受系统所采用的调制方式( M P A M ，M P S K ， M - Q A M ) 的影响不大1 5 1 ；C E O F D M 的P A P R 值恒为0 d B ，与M 无关；S C F D E 的P A P R 值介于O F D M 、C E O F D M 之间，主要受调制方式的影响，当采用P S K 调制时P A P R 最 小。 图4 3 8 为A 级功率放大器的功放效率随频谱利用率变化的理论曲线。功放效率与 输入补偿成反比，计算公式如式( 3 4 1 0 ) ，为了避免非线性干扰，其输入补偿I B O 至少 为图4 3 7 相对应的P A P R 值。通过仿真图

13、可知：在相同的频谱利用率下，O F D M 系统 的P A P R 值最大，导致了其功放效率最低；相同谱效率下，C E O F D M 的性能优于O F D M ， 在低频谱利用率时，C E O F D M 的性能接近与S C F D E ；在高频谱利用率时，S C F D E 的 性能优于C E O F D M 系统，但是功放功率相对降低。综上所述，C E O F D M 系统的频谱 利用率和功放效率性能最优。 4 1 4 理想信道估计条件下C E - O F I ) M 系统的性能仿真硕士论文 4 2 11 522 533 544 555 56 S p e c t r u me f f l

14、 c i e n c y ( b s H z ) 图4 3 7 基带峰均比( P A P R ) 随频谱利用率变化的仿真曲线 _X _：T ：M C E O F D M ： 1 L 一J - J 。L L J 一一 I I 一一一一一r 一一一一1 一一一一1 一一一一一一一一一一厂一一一一r 一一一一1 一一 l 1 ：S C L ，Lc ID E 一一+一-,4Il II一一卜一一一一 i 一：一M p e必： I 、 一r I 一 广? r 一一I I 、 一J 7 二 ：二 ；莲王：三一 11 522 533 544 555 56 S p e c t r u me 币c i e n c

15、 y ( b s H z ) 图4 3 8A 级功率放大器的效率随频谱利用率变化的仿真曲线 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 O Iooi也ooo一正正也 诣 弱 ； 筋 约 侣 坩 5 0 一零一Qc一DII：loIoIJIJ clE晒10oQ田一。 硕士论文 恒包络C E - O F D M 的关键技术研究 4 5 总结 本章重点研究分析了C E O F D M 在理想信道估计下的性能，并通过仿真全面分析和 比较了O F D M 、C E O F D M 以及S C F D E 的频率利用率、峰均比以及功放效率。得出如 下结论： 1 ) 调制系数直接决定了C E O F D M 的频谱特性和误比特性能。提高过采样因子可以 解决调制系数过大带来的“地板效应“ 问题【5 1 ，但大大增加了接收机的复杂度，相位解 调器有待进一步的优化。 2 ) 非编码的C E O F D M 在多径信道下有频率分集特性【5 3 】【6 5 】。 3 ) 在中低信噪比下，O F D M 的误比特性能最优，S C F D E 其次，C E - O F D M 最差； 在高信噪比下，C E O F D M 的性能最优